一種摻雜稀土元素鉺的7085鋁合金及其制備方法與流程

本發明屬于鋁合金技術領域，涉及一種摻雜稀土元素鉺(Er)的7085鋁合金及其制備方法。

背景技術：

隨著現代工業的迅猛發展，尤其是航空航天、武器裝備、新能源等尖端領域的跨越式發展，人們對于材料綜合性能的要求也越來越高。7085鋁合金是美國鋁業公司于2003年開發出的一種新型鋁合金材料，屬于Al-Zn-Mg-Cu系(又稱為7XXX系)合金，主要合金成分及含量(以重量百分比計)如下：Zn 7.0～8.0％，Mg 1.2～1.8％，Cu 1.3～2.0％，Zr 0.08～0.15％。由于7085鋁合金具有高強度、高韌性、高淬透性和高損傷容限等優異性能，因此被廣泛應用于航空、國防和民用工業等領域。

目前，7085鋁合金主要用于制造波音787飛機和空客A380飛機的翼梁、翼肋和起落架等重承力結構件，故而要求其必須具備優異的力學性能。對于低Cu高Zn的7085鋁合金而言，亟需通過添加稀土元素并優化變形與熱處理工藝來進一步提高鋁合金材料的力學性能。

技術實現要素：

針對現有技術中7085鋁合金的力學性能無法滿足日益提高的使用要求這一現狀，本發明旨在提供一種摻雜稀土元素鉺的7085鋁合金及其制備方法。通過將價格相對低廉的稀土元素Er以合適的用量添加到7085鋁合金中，達到改善合金材料組織結構和力學性能的目的。

具體而言，本發明采用如下技術方案：

一種摻雜稀土元素鉺的7085鋁合金，其包含以重量百分比計的下列組分：Er 0.1％～0.4％，Zn 7％～8％，Mg 1.3％～2.0％，Cu 1.3～2.0％，Cr 0.02％～0.04％，Zr 0.08％～0.15％，Si 0.01％～0.08％，Mn 0.02％～0.05％，Fe 0.01％～0.08％，Ti 0.04％～0.08％，余量為Al。

在一項優選的實施方案中，上述摻雜稀土元素鉺的7085鋁合金包含以重量百分比計的下列組分：Er 0.2％，Zn 7.5％，Mg 1.6％，Cu 2.0％，Cr 0.04％，Zr 0.12％，Si 0.06％，Mn 0.04％，Fe 0.08％，Ti 0.06％，余量為Al。

上述摻雜稀土元素鉺的7085鋁合金的制備方法，其包括下列步驟：

1)制備7085鋁合金坯料：

將鋁錠置于熔煉爐中，加熱至760～780℃并保持溫度恒定，待鋁錠完全熔化后，將爐溫升至800～820℃并保持溫度恒定；在攪拌條件下，向熔液中添加銅屑，直至銅的重量占目標合金總重量的1.3％～2.0％(優選2.0％)，待銅屑完全熔化后，靜置10～15分鐘；在攪拌條件下，向熔液中添加鋅錠，直至鋅的重量占目標合金總重量的7％～8％(7.5％)，待鋅錠完全熔化后，靜置10～15分鐘；在攪拌條件下，向熔液中依次添加鎂錠、鋁錳中間合金、鋁硅中間合金、鐵粉、鋯粉、鉻粉和鈦粉，直至鎂、錳、硅、鐵、鋯、鉻和鈦的重量分別占目標合金總重量的1.3％～2.0％(優選1.6％)、0.02％～0.05％(優選0.04％)、0.01～0.08％(優選0.06％)、0.01％～0.08％(優選0.08％)、0.08％～0.15％(優選0.12％)、0.02％～0.04％(優選0.04％)和0.04％～0.08％(優選0.06％)，待上述物料完全熔化后，將爐溫降至760～780℃并保持溫度恒定；在攪拌條件下，向熔液中添加除雜除氣劑，進行除雜除氣處理，除雜除氣完畢后，將熔液靜置5～10分鐘，然后倒入坩堝中并冷卻至室溫，制得7085鋁合金坯料；

2)制備鋁鉺合金錠：

將坩堝置于熔煉爐中，于500℃預熱30～60分鐘，然后將步驟1)中得到的7085鋁合金坯料置于預熱的坩堝中，加熱至750～760℃并保持溫度恒定；在攪拌條件下，向完全熔化的7085鋁合金坯料中加入鋁鉺中間合金，直至鉺的重量占目標合金總重量的0.1％～0.4％(優選0.2％)，待鋁鉺中間合金完全熔化后，向熔液中添加除雜除氣劑，進行除雜除氣處理，除雜除氣完畢后，將爐溫降至720～730℃并保持溫度恒定，將熔液靜置5～10分鐘，然后澆注到預熱的金屬模具中，制得鋁鉺合金錠；

3)均勻化處理：將步驟2)中得到的鋁鉺合金錠置于均勻化處理設備中，于465℃保溫24小時，進行均勻化處理，制得均勻化處理的鋁鉺合金錠；

4)熱軋成型：對步驟3)中得到的均勻化處理的鋁鉺合金錠進行熱軋成型處理，得到鋁鉺合金型材；其中：熱軋保溫溫度為430℃，保溫時間為1小時，道次間的保溫時間為8～12分鐘，每道次的壓下量為4％～6％，總變形量為80％；

5)熱處理：首先將步驟4)中得到的鋁鉺合金型材于450～470℃保溫2～3小時，進行固溶處理，然后于120～180℃保溫16～48.5小時，進行時效處理，即可制得摻雜稀土元素鉺的7085鋁合金。

在上述制備方法中，步驟1)中所述熔煉爐為中頻熔煉爐。

在上述制備方法中，步驟1)中所述銅屑、鋅錠和鎂錠在使用前預先在干燥箱中于70℃干燥1小時。

在上述制備方法中，步驟1)中所述鋁錳中間合金為Al-15Mn合金。

在上述制備方法中，步驟1)中所述鋁硅中間合金為Al-20Si合金。

在上述制備方法中，步驟1)中所述除雜除氣劑為六氯乙烷。

在上述制備方法中，步驟2)中所述鋁鉺中間合金為Al-12Er合金。

在上述制備方法中，步驟2)中所述金屬模具的預熱溫度為250℃。

在上述制備方法中，步驟3)中所述均勻化處理設備為箱式爐。

與現有技術相比，采用上述技術方案的本發明具有下列有益效果：通過向7085鋁合金中添加稀土元素Er，可以達到細化晶粒、提高綜合力學性能的效果。添加的稀土元素Er易形成Al₃Er相，Al₃Er相在熱處理過程中對位錯與亞晶界具有釘扎作用，能夠有效地阻礙位錯運動和亞晶界遷移，而且熱穩定性較高，不易聚集粗化。另外，本發明的制備方法簡單易行，原料成本低，適用于大規模生產。

附圖說明

圖1為對比例所制備的7085鋁合金的微觀組織照片。

圖2為實施例1所制備的鉺摻雜7085鋁合金的微觀組織照片。

圖3為實施例2所制備的鉺摻雜7085鋁合金的微觀組織照片。

圖4為實施例3所制備的鉺摻雜7085鋁合金的微觀組織照片。

具體實施方式

下面將結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。除非另有說明，下列實施例中所使用的儀器、材料、試劑等均可通過常規商業手段獲得。

對比例：無摻雜鉺7085鋁合金的制備。

將鋁錠置于中頻熔煉爐中，于780℃熔煉并保持溫度恒定，待鋁錠完全熔化后，升溫至800℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向熔液中添加銅屑(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)，直至銅的重量占目標合金總重量的2.0％，完全熔化后靜置10～15分鐘。在機械攪拌條件下，向熔液中添加鋅錠(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)，直至鋅的重量占目標合金總重量的7.5％，完全熔化后靜置15分鐘。在機械攪拌條件下，向熔液中依次添加鎂錠(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)、Al-15Mn合金、Al-20Si合金、Fe粉、Zr粉、Cr粉和Ti粉，直至鎂、錳、硅、鐵、鋯、鉻和鈦的重量分別占目標合金總重量的1.6％、0.04％、0.06％、0.08％、0.12％、0.04％和0.06％，完全熔化后，將爐溫降至760℃～780℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向熔液中添加六氯乙烷除雜除氣劑，扒渣，靜置10分鐘后倒入坩堝中并冷卻至室溫，制得7085鋁合金坯料。

將坩堝置于小型熔煉爐中，于500℃預熱30～60分鐘，然后將上述7085鋁合金坯料置于預熱的坩堝中，加熱至750℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向完全熔化的7085鋁合金坯料中加入六氯乙烷除雜除氣劑，扒渣，將爐溫降至720～730℃并保持溫度恒定，將熔液靜置10分鐘后澆注到已預熱至250℃的金屬模具中，制得鋁鉺合金錠。

將無摻雜鉺7085鋁合金錠置于箱式爐中，于465℃保溫24小時，進行均勻化處理，然后進行熱軋變形，熱軋保溫溫度為430℃，保溫時間為1小時，道次間的保溫時間為10分鐘，每道次的壓下量為5％，總變形量為80％，然后于450℃保溫2小時，進行固溶處理，于120℃保溫24小時，進行時效處理，即可制得無摻雜7085鋁合金(如圖1所示)。

采用上述方法制備厚度為2.5mm的拉伸樣，在室溫下測定相關力學性能，其結果如下：抗拉強度為525MPa，屈服強度為470MPa，延伸率為12％。

實施例1：鉺摻雜7085鋁合金的制備。

將鋁錠置于中頻熔煉爐中，于780℃熔煉并保持溫度恒定，待鋁錠完全熔化后，升溫至800℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向熔液中添加銅屑(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)，直至銅的重量占目標合金總重量的2.0％，完全熔化后靜置15分鐘。在機械攪拌條件下，向熔液中添加鋅錠(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)，直至鋅的重量占目標合金總重量的7.5％，完全熔化后靜置15分鐘。在機械攪拌條件下，向熔液中依次添加鎂錠(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)、Al-15Mn合金、Al-20Si合金、Fe粉、Zr粉、Cr粉和Ti粉，直至鎂、錳、硅、鐵、鋯、鉻和鈦的重量分別占目標合金總重量的1.6％、0.04％、0.06％、0.08％、0.12％、0.04％和0.06％，完全熔化后，將爐溫降至760～780℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向熔液中添加六氯乙烷除雜除氣劑，扒渣，靜置5～10分鐘后倒入坩堝中并冷卻至室溫，制得7085鋁合金坯料。

將坩堝置于小型熔煉爐中，于500℃預熱30～60分鐘，然后將上述7085鋁合金坯料置于預熱的坩堝中，加熱至750℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向完全熔化的7085鋁合金坯料中加入Al-12Er合金，直至鉺的重量占目標合金總重量的0.4％，完全熔化后，向熔液中加入六氯乙烷除雜除氣劑，扒渣，將爐溫降至720～730℃并保持溫度恒定，將熔液靜置5～10分鐘后澆注到已預熱至250℃的金屬模具中，制得鋁鉺合金錠。

將上述鋁鉺合金錠置于箱式爐中，于465℃保溫24小時，進行均勻化處理，然后進行熱軋變形，熱軋保溫溫度為430℃，保溫時間為1小時，道次間的保溫時間為10分鐘，每道次的壓下量為6％，總變形量為80％，然后于450℃保溫2小時，進行固溶處理，于120℃保溫24小時，進行時效處理，即可制得鉺摻雜7085鋁合金(如圖2所示)。

采用上述方法制備厚度為2.5mm的拉伸樣，在室溫下測定相關力學性能，其結果如下：抗拉強度為582.5MPa，屈服強度為542MPa，延伸率為14.8％。

實施例2：鉺摻雜7085鋁合金的制備。

將鋁錠置于中頻熔煉爐中，于780℃熔煉并保持溫度恒定，待鋁錠完全熔化后，升溫至800℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向熔液中添加銅屑(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)，直至銅的重量占目標合金總重量的1.8％，完全熔化后靜置15分鐘。在機械攪拌條件下，向熔液中添加鋅錠(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)，直至鋅的重量占目標合金總重量的7％，完全熔化后靜置15分鐘。在機械攪拌條件下，向熔液中依次添加鎂錠(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)、Al-15Mn合金、Al-20Si合金、Fe粉、Zr粉、Cr粉和Ti粉，直至鎂、錳、硅、鐵、鋯、鉻和鈦的重量分別占目標合金總重量的1.8％、0.06％、0.04％、0.08％、0.1％、0.05％和0.04％，完全熔化后，將爐溫降至780℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向熔液中添加六氯乙烷除雜除氣劑，扒渣，靜置10分鐘后倒入坩堝中并冷卻至室溫，制得7085鋁合金坯料。

將坩堝置于小型熔煉爐中，于500℃預熱30～60分鐘，然后將上述7085鋁合金坯料置于預熱的坩堝中，加熱至750℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向完全熔化的7085鋁合金坯料中加入Al-12Er合金，直至鉺的重量占目標合金總重量的0.1％，完全熔化后，向熔液中加入六氯乙烷除雜除氣劑，扒渣，將爐溫降至720～730℃并保持溫度恒定，將熔液靜置10分鐘后澆注到已預熱至250℃的金屬模具中，制得鋁鉺合金錠。

將上述鋁鉺合金錠置于箱式爐中，于465℃保溫24小時，進行均勻化處理，然后進行熱軋變形，熱軋保溫溫度為430℃，保溫時間為1小時，道次間的保溫時間為8分鐘，每道次的壓下量為4％，總變形量為85％，然后于450℃保溫2小時，再于470℃保溫1小時，進行固溶處理，于120℃保溫24小時，進行時效處理，即可制得鉺摻雜7085鋁合金(如圖3所示)。

采用上述方法制備厚度為2.5mm的拉伸樣，在室溫下測定相關力學性能，其結果如下：抗拉強度為578MPa，屈服強度為523MPa，延伸率為14.1％。

實施例3：鉺摻雜7085鋁合金的制備。

將鋁錠置于中頻熔煉爐中，于780℃熔煉并保持溫度恒定，待鋁錠完全熔化后，升溫至800℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向熔液中添加銅屑(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)，直至銅的重量占目標合金總重量的2.0％，完全熔化后靜置15分鐘。在機械攪拌條件下，向熔液中添加鋅錠(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)，直至鋅的重量占目標合金總重量的7.5％，完全熔化后靜置15分鐘。在機械攪拌條件下，向熔液中依次添加鎂錠(預先在干燥箱中于70℃干燥1小時)、Al-15Mn合金、Al-20Si合金、Fe粉、Zr粉、Cr粉和Ti粉，直至鎂、錳、硅、鐵、鋯、鉻和鈦的重量分別占目標合金總重量的1.2％、0.06％、0.06％、0.1％、0.15％、0.02％和0.04％，完全熔化后，將爐溫降至780℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向熔液中添加六氯乙烷除雜除氣劑，扒渣，靜置10分鐘后倒入坩堝中并冷卻至室溫，制得7085鋁合金坯料。

將坩堝置于小型熔煉爐中，于500℃預熱30分鐘，然后將上述7085鋁合金坯料置于預熱的坩堝中，加熱至750℃并保持溫度恒定。在機械攪拌條件下，向完全熔化的7085鋁合金坯料中加入Al-12Er合金，直至鉺的重量占目標合金總重量的0.2％，完全熔化后，向熔液中加入六氯乙烷，扒渣，將爐溫降至720～730℃并保持溫度恒定，將熔液靜置10分鐘后澆注到已預熱至250℃的金屬模具中，制得鋁鉺合金錠。

將上述鋁鉺合金錠置于箱式爐中，于465℃保溫24小時，進行均勻化處理，然后進行熱軋變形，熱軋保溫溫度為430℃，保溫時間為1小時，道次間的保溫時間為12分鐘，每道次的壓下量為5％，總變形量為80％，然后于450℃保溫2小時，再于470℃保溫1小時，進行固溶處理，于120℃保溫24小時，于180℃保溫0.5小時，再于120℃保溫24小時，進行時效處理，即可制得鉺摻雜7085鋁合金(如圖4所示)。

采用上述方法制備厚度為2.5mm的拉伸樣，在室溫下測定相關力學性能，其結果如下：抗拉強度為587MPa，屈服強度為542MPa，延伸率為14.5％。

由圖1～4可以看出，向7085鋁合金中添加稀土元素Er(摻入量為0.1％～0.4％，優選0.2％)能夠使目標合金的微觀組織得到改善，圖1中無摻雜7085鋁合金的時效態組織粗大，而圖2至圖4中鉺摻雜7085鋁合金的時效態組織得到明顯的細化。另外，稀土元素Er的摻入還使得目標合金的抗拉強度和延伸率都得到提高，并且經過合適的熱處理工藝，材料的抗拉強度和伸長率最大值分別達到587MPa和14.8％。與無摻雜7085鋁合金相比，分別提高了11.8％和23.3％。